Gepubliceerd in Science:
"Moleculaire materie is niet veranderd in 7 miljard jaar"
Uit waarnemingen van radiostraling afkomstig van een verafgelegen melkwegstelsel leiden we af dat de verhouding tussen de massa van een proton en een elektron (deze verhouding is 1836.1526725) niet is veranderd gedurende de geschiedenis van het Universum. Iets nauwkeuriger, deze fundamentele natuurconstante is minder veranderd dan een honderd-duizendste van een procent, over de afgelopen 7 miljard jaar. Dit resultaat wordt afgeleid uit nauwkeurige metingen van de absorptie-frequenties in de waargenomen radiostraling die is veroorzaakt door methanolmoleculen in een melkwegstelsel bij roodverschuiving z=0.89. De limitering van de drift van de natuurconstante kan ook zo worden uitgedrukt: moleculen en moleculaire materie is hetzelfde gebleven in de afgelopen 7 miljard jaar. De waarnemingen werden uitgevoerd bij de radiotelescoop in het Duitse Effelsberg (100 km over de grens bij Heerlen) door ons team bestaande uit Wim Ubachs (Teamleider), Julija Bagdonaite and Paul Jansen (Promovendi) en Rick Bethlem, in samenwerking met de Duitse collega's Christian Henkel en Karl Menten van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie te Bonn. Een artikel over het werk is online gepubliceerd in Science Express op 13 Dec. 2012.
Foto van de
De Effelsberg Radiotelescoop bij nacht (Foto Paul Jansen -
HighRes Foto)
Alcohol in het vroege Universum
Methanol is een zeer gevoelig molecuul om een mogelijke verandering van de natuurconstante te detecteren.
Enkele lijnen in het radiospectrum van methanol ondergaan een grote verschuiving als gevolg van een veranderende proton-elektron massa verhouding, terwijl andere lijnen niet verschuiven; dat zijn "ankerlijnen".
In recent onderzoek heeft de Amsterdamse groep ontdekt dat de interne rotatiebeweging in moleculen zoals methanol de oorzaak is van zeer massagevoelige spectraallijnen. Dit idee werd in 2011 gepubliceerd in het "Methanol artikel". Hieronder is een afbeelding gegeven van de chemische structuur van het methanolmolecuul:
Het methanol molecuul (CH3OH);
zwarte bol representeert een C-atom,
rood een O-atom en grijs H-atomen
Omdat methanol een gevoelig systeem is om variatie van natuurconstanten te meten werd voorgesteld om te zoeken naar dit molecuul in verafgelegen melkwegstelsels. Aangezien de radiostraling er miljarden jaren over doet om de aarde te bereiken, kan zo als het ware "teruggekeken worden in de tijd", en kan de structuur van hedendaagse moleculen vergeleken worden met de structuur van dezelfde moleculen zoals die miljarden jaren geleden was.
Bij de waarnemingen werd de telescoop gericht op PKS-1830-211, een "quasar" die veel radiostraling uitzendt. In het lichtpad naar PKS-1830-211 ligt een melkwegstelsel, op 7 miljard lichtjaar afstand van de aarde, waarin reeds vele moleculen zijn waargenomen.
Gezocht werd naar 4 methanollijnen in het radiospectrum, en die werden inderdaad gevonden in meetsessies die plaatsvonden tussen december 2011 en april 2012. De spectra zijn hieronder weergegeven.
Radio absorptie spectra van 4 methanollijnen
Analyse van zwalkende constanten
Uit een analyse van de kwantumstructuur van het methanolmolecuul volgt dat twee van de lijnen in het radiospectrum, beide waargenomen bij 25 GHz zich gedragen als ankerlijnen; deze lijnen zijn aangegeven met rood en oranje. De andere twee lijnen, waargenomen bij 32 GHz (groen) en 6.5 GHz (blauw) zijn heel gevoelig voor een variatie van de proton-elektron massa-verhouding. Merk op dat de waargenomen absorptiefrequenties niet die zijn waarbij de absorptie feitelijk heeft plaatsgevonden; in de tussenliggende 7 miljard jaar is het Universum uitgedijd en daarom zijn alle lijnen roodverschoven met een factor (1+z), met z=0.88582 voor het absorberende melkwegstelsel.
De relatie tussen de roodverschuivingsparameter z en de terugkijktijd in het Universum is afhankelijk van kosmologische modellen, zie:
Roodverschuiving.
Terwijl de ankerlijnen de precieze roodverschuiving van het absorberende melkwegstelsel bepalen, geven de andere lijnen informatie over een mogelijke variatie van de proton-elektron massaverhouding. Hieronder in de figuur zijn de 4 meetpunten aangegeven, waaruit is afgeleid dat de natuurconstante gelijkblijft binnen een grens van 7.6 x 10^-8; deze waarde geeft de statistische fout van de metingen weer.
Resultaat
Als ook (mogelijk) systematische fouten in de waarnemingen worden meegenomen is het resultaat van de studie:
de fundamentele natuurconstante, de proton-elektron massa verhouding, is minder dan 10^-7 veranderd in de afgelopen 7 miljard jaar. Dit resultaat kan ook als volgt geinterpreteerd worden: de structuur van moleculaire materie is in 7 miljard jaar niet veranderd; althans, de verandering was minder dan een honderdduizendste van een procent.
Research team
Het onderzoek is uitgevoerd door vier wetenschappers van de
Afdeling Natuurkunde, en van het instituut
LaserLaB aan de Vrije Universiteit Amsterdam,
in samenwerking met twee Duitse collega's van het Max Planck Instituut voor radioastronomie in Bonn.
Julija Bagdonaite
Paul Jansen
Christian Henkel
Rick Bethlem
Karl Menten
Wim Ubachs
Voortgaand onderzoek
Op dit moment wordt het werk uitgebreid naar waarnemingen bij andere radiotelescopen in de wereld. In de zomer van 2012 zijn waarnemeingen verricht met de
IRAM-30 telescoop op de Pico Veleta bij Granada (Spanje). Deze waarnemingen dienen ter verificatie van de bevindingen en mogelijk wordt er een sterkere limiet gelegd op de driftende natuurconstantes. Of, er wordt een positief resultaat gevonden voor een varierende constante.
Ook bij Effelsberg zijn er verdere waarnemingen in de pipe-line; enkele zijn al uitgevoerd in Nov. 2012, terwijl in Jan. 2013 nieuwe observaties zijn gepland.
Ubachs en Bagdonaite op het Pico Veleta observatorium
Verder Informatie
Het artikel in Science Express
FOM Persbericht
Poster over het "gehinderde rotatie" mechanisme in methanol
Lecture Notes on variation of fundamental constants.
"Moleculaire materie is niet veranderd in 7 miljard jaar"
Uit waarnemingen van radiostraling afkomstig van een verafgelegen melkwegstelsel leiden we af dat de verhouding tussen de massa van een proton en een elektron (deze verhouding is 1836.1526725) niet is veranderd gedurende de geschiedenis van het Universum. Iets nauwkeuriger, deze fundamentele natuurconstante is minder veranderd dan een honderd-duizendste van een procent, over de afgelopen 7 miljard jaar. Dit resultaat wordt afgeleid uit nauwkeurige metingen van de absorptie-frequenties in de waargenomen radiostraling die is veroorzaakt door methanolmoleculen in een melkwegstelsel bij roodverschuiving z=0.89. De limitering van de drift van de natuurconstante kan ook zo worden uitgedrukt: moleculen en moleculaire materie is hetzelfde gebleven in de afgelopen 7 miljard jaar. De waarnemingen werden uitgevoerd bij de radiotelescoop in het Duitse Effelsberg (100 km over de grens bij Heerlen) door ons team bestaande uit Wim Ubachs (Teamleider), Julija Bagdonaite and Paul Jansen (Promovendi) en Rick Bethlem, in samenwerking met de Duitse collega's Christian Henkel en Karl Menten van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie te Bonn. Een artikel over het werk is online gepubliceerd in Science Express op 13 Dec. 2012.
Foto van de De Effelsberg Radiotelescoop bij nacht (Foto Paul Jansen - HighRes Foto)
Alcohol in het vroege Universum
Methanol is een zeer gevoelig molecuul om een mogelijke verandering van de natuurconstante te detecteren. Enkele lijnen in het radiospectrum van methanol ondergaan een grote verschuiving als gevolg van een veranderende proton-elektron massa verhouding, terwijl andere lijnen niet verschuiven; dat zijn "ankerlijnen". In recent onderzoek heeft de Amsterdamse groep ontdekt dat de interne rotatiebeweging in moleculen zoals methanol de oorzaak is van zeer massagevoelige spectraallijnen. Dit idee werd in 2011 gepubliceerd in het "Methanol artikel". Hieronder is een afbeelding gegeven van de chemische structuur van het methanolmolecuul:Het methanol molecuul (CH3OH);
zwarte bol representeert een C-atom,
rood een O-atom en grijs H-atomen
Omdat methanol een gevoelig systeem is om variatie van natuurconstanten te meten werd voorgesteld om te zoeken naar dit molecuul in verafgelegen melkwegstelsels. Aangezien de radiostraling er miljarden jaren over doet om de aarde te bereiken, kan zo als het ware "teruggekeken worden in de tijd", en kan de structuur van hedendaagse moleculen vergeleken worden met de structuur van dezelfde moleculen zoals die miljarden jaren geleden was. Bij de waarnemingen werd de telescoop gericht op PKS-1830-211, een "quasar" die veel radiostraling uitzendt. In het lichtpad naar PKS-1830-211 ligt een melkwegstelsel, op 7 miljard lichtjaar afstand van de aarde, waarin reeds vele moleculen zijn waargenomen. Gezocht werd naar 4 methanollijnen in het radiospectrum, en die werden inderdaad gevonden in meetsessies die plaatsvonden tussen december 2011 en april 2012. De spectra zijn hieronder weergegeven.
Radio absorptie spectra van 4 methanollijnen
Analyse van zwalkende constanten
Uit een analyse van de kwantumstructuur van het methanolmolecuul volgt dat twee van de lijnen in het radiospectrum, beide waargenomen bij 25 GHz zich gedragen als ankerlijnen; deze lijnen zijn aangegeven met rood en oranje. De andere twee lijnen, waargenomen bij 32 GHz (groen) en 6.5 GHz (blauw) zijn heel gevoelig voor een variatie van de proton-elektron massa-verhouding. Merk op dat de waargenomen absorptiefrequenties niet die zijn waarbij de absorptie feitelijk heeft plaatsgevonden; in de tussenliggende 7 miljard jaar is het Universum uitgedijd en daarom zijn alle lijnen roodverschoven met een factor (1+z), met z=0.88582 voor het absorberende melkwegstelsel. De relatie tussen de roodverschuivingsparameter z en de terugkijktijd in het Universum is afhankelijk van kosmologische modellen, zie: Roodverschuiving.
Terwijl de ankerlijnen de precieze roodverschuiving van het absorberende melkwegstelsel bepalen, geven de andere lijnen informatie over een mogelijke variatie van de proton-elektron massaverhouding. Hieronder in de figuur zijn de 4 meetpunten aangegeven, waaruit is afgeleid dat de natuurconstante gelijkblijft binnen een grens van 7.6 x 10^-8; deze waarde geeft de statistische fout van de metingen weer.
Resultaat
Als ook (mogelijk) systematische fouten in de waarnemingen worden meegenomen is het resultaat van de studie: de fundamentele natuurconstante, de proton-elektron massa verhouding, is minder dan 10^-7 veranderd in de afgelopen 7 miljard jaar. Dit resultaat kan ook als volgt geinterpreteerd worden: de structuur van moleculaire materie is in 7 miljard jaar niet veranderd; althans, de verandering was minder dan een honderdduizendste van een procent.Research team
Het onderzoek is uitgevoerd door vier wetenschappers van de Afdeling Natuurkunde, en van het instituut LaserLaB aan de Vrije Universiteit Amsterdam, in samenwerking met twee Duitse collega's van het Max Planck Instituut voor radioastronomie in Bonn.
Julija Bagdonaite Paul Jansen Christian Henkel Rick Bethlem Karl Menten Wim Ubachs
Voortgaand onderzoek
Op dit moment wordt het werk uitgebreid naar waarnemingen bij andere radiotelescopen in de wereld. In de zomer van 2012 zijn waarnemeingen verricht met de IRAM-30 telescoop op de Pico Veleta bij Granada (Spanje). Deze waarnemingen dienen ter verificatie van de bevindingen en mogelijk wordt er een sterkere limiet gelegd op de driftende natuurconstantes. Of, er wordt een positief resultaat gevonden voor een varierende constante. Ook bij Effelsberg zijn er verdere waarnemingen in de pipe-line; enkele zijn al uitgevoerd in Nov. 2012, terwijl in Jan. 2013 nieuwe observaties zijn gepland.Ubachs en Bagdonaite op het Pico Veleta observatorium
Verder Informatie
Het artikel in Science ExpressFOM Persbericht
Poster over het "gehinderde rotatie" mechanisme in methanol
Lecture Notes on variation of fundamental constants.
 phonebook |
 Physics |
Chemistry |
FEW |
VU |
site map |
search |
webmaster |
Deze pagina wordt momenteel aangepast aan de nieuwe vormgeving van deze site. Is er iets mis met deze pagina, stuur dan alstublieft een e-mail naar de eigenaar van deze pagina. | |||||||